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Werkzeugeinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugeinrichtung, bestehend aus einem
Werkzeughaltergehäuse und einer antreibbaren Werkzeugspindel mit einem Spindelkopf
zur Aufnahme rotierender Werkzeuge und Einrichtungen zum Arretieren der Werkzeugspindel,
zum Spannen der Werkzeuge durch die Werkzeugspindel und zum Antrieb der Werkzeugspindel.
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Neben den bisher auf Drehmaschinen üblicherweise durchgeführten Dreharbeiten
werden nach dem Stand der Technik auch Einrichtungen eingesetzt, die den Einsatz
angetriebener Werkzeuge zulassen für die Arbeitsoperationen Bohren, Gewindebohren
und Fräsen. Damit ist es möglich, den Einsatzbereich der Drehmaschinen wesentlich
zu erweitern und Werkstücke, die Dreh-, Bohr- und Fräsarbeiten erfordern, komplett
zu bearbeiten, ohne daß die Werkstücke auf verschiedenen Maschinen ein- bzwausgespannt
werden müssen. Im Rahmen der Weiterentwicklung solcher Drehmaschinen ist auch schon
vorgeschlagen worden, Vorrichtungen vorzusehen, die einen leichten manuellen sowie
automatischen Werkzeugwechsel stehender Werkzeuge ermöglichen.
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So ist in der DE-OS 30 07 440 bereits eine Werkzeugeinrichtung mit
wechselbarem Werkzeugträger
vorgeschlagen worden, deren Werkzeuggrundhalter
einen über einen bestimmten Hub beweglichen Spannbolzen aufweist, der an ihm liegende,
radial nach außen wirkende Spannstifte beauf schlagt, die zur Arretierung des Werkzeugträgers
in Ausnehmungen deses Werkzeugträgers eingreifen. Mit einer solchen Vorrichtung
ist es möglich, beim Wechsel feststehender Werkzeuge die Auswechslung auf den Werkzeugkopf
zu beschränken, ohne daß der gesamte Werkzeuggrundhalter ausgewechselt werden muß.
Eine Vorrichtung, die das automatische Wechseln von antreibbaren Werkzeugen zur
Aufnahme rotierender Werkzeuge ermöglicht, ist jedoch nicht bekannt.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugeinrichtung
anzugeben, die auch bei antreibbaren Werkzeughaltern, wie sie z. B. auf Drehmaschinen
eingesetzt werden, ein motorisches Spannen bzw. Lösen der Kopfwerkzeuge sowie den
automatischen Werkzeugwechsel ermöglichen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Einrichtung zu schaffen, die eine definierte Spindelarretierung bei ruhender
Spindel herbeiführt.
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Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Hierbei hat man sich die Vorteile der aus der DE-OS 30 07 440 bekannten Vorrichtung
zu eigen gemacht und spannt die Werkzeugspindel z. B. durch einen Schraubantrieb,
der den zentrisch in dem Werkzeughalter längsbeweglich geführten Spannbolzen bewegt,
der
mit seinem kegelförmigen Kopf auf mehrere Spannstifte wirkt. Nach einer Weiterbildung
ist es auch möglich, den Spannbolzen über eine Gewindespindel zu betätigen (Ansprüche
8 und 9).
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Die Gewindespindel ermöglicht die Bewegung von einem oder mehreren
Spannelementen senkrecht zu der Längsmittelachse des Aufnahmezapfens, wobei die
spitzwinklig zur Längsmittelachse liegenden Druckflächen des Spannelements bzw.
der Spannelemente sich gegen ihnen gegenüberliegende Keilflächen eines Spannkolbens
abstützen, der Teil des Spannbolzens ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform
besitzt die Gewindespindel ein Rechts-Links-Gewinde, worüber zwei Spannelemente
im Aufnahmezapfen gegenläufig und senkrecht zu dessen Längsmittelachse führbar sind,
so daß eine symmetrische Kraftwirkung der Druckflächen auf die Keilflächen des genannten
Spannkolbens möglich ist. Außer diesen Merkmalen, die das Spannen und Lösen des
Werkzeuges betreffen, sieht die Erfindung vor, daß die Spannspindel und die Gewindespindel
miteinander über eine Entriegelungsvorrichtung kuppelbar sind, wobei die ebenfalls
drehbar und längsbeweglich im Werkzeughaltergehäuse gelagerte Spannspindel an ihrem
aus dem Werkzeughaltergehäuse herausgeführten Ende einen Mitnehmerzapfen besitzt,
über den ein kuppelbarer Motor das Spannen bzw. Lösen des Werkzeugs durchführen
kann.
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Eine sichere Spannfunktion ist jedoch nur dann gewährleistet, wenn
die Werkzeugspindel beim Spannen arretiert ist. Diese Forderung ergibt sich insbesondere
beim automatischen Werkzeugwechsel, der bei mehrfach bestückten Werkzeugrevolvern
auf Drehmaschinen im allgemeinen nicht in der Arbeitsstellung der Werkzeuge,
sondern
in einer für die Spannung und Handhabung der Werkzeuge günstigeren Position erfolgt.
Zwar ermöglicht der Motor für den Werkzeugspindelantrieb, der nur in der Arbeitsstellung
mit dem Werkzeughalter gekuppelt ist, eine definierte Spindelstillsetzung, jedoch
ist die Werkzeugspindel danach, d.h. bei Drehung des Revolvers, auf dem sie sich
neben anderen Werkzeughaltern befindet, frei beweglich. Somit muß in der Wechselposition
auch Vorsorge dafür getragen werden, daß die Nuten im Werkzeug und die Mitnehmer
des Werkzeughalters bzw. der Werkzeugspindel, wie z. B.
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bei Steilkegelwerkzeugen auf Bearbeitungszentren in der Lage übereinstimmen
und ineinandergreifen.
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Zu diesem Zweck weist die Werkzeugeinrichtung auch einen Indexierzapfen
auf, der im eingekuppelten Zustand in eine entsprechende Indexierbohrung der Werkzeugspindel
eingreift.
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Insgesamt ermöglicht die in den Patentansprüchen 1 bis 4 beschriebene
Vorrichtung somit die Lageverriegelung der Werkzeugspindel als auch das Spannen
bzw. Lösen des Werkzeugs gleichzeitig, wobei diese Verriegelung nicht nur während
des Werkzeugwechsels erhalten bleibt, sondern auch in jeder anderen Schalt- oder
Arbeitsstellung des ggf. verwendeten Werkzeugrevolvers, bei der kein Spindelantrieb
vorgesehen ist. Insbesondere besitzt die erfindungsgemäße Werkzeugeinrichtung den
Vorteil, daß beim Kuppeln mit dem Drehantrieb für die Werkzeuge, d.h. Einkuppeln
zum Arbeitszustand, automatisch eine Entriegelung der Werkzeugspindel erfolgt, indem
der Indexierzapfen aus der Indexierbohrung hinausgleitet.
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Als besonders vorteilhaft haben sich drei Ausbildungen der Erfindung
herausgestellt, deren wesent-
lichen Merkmale im folgenden aufgeführt
sind.
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Nach der ersten vorteilhaften Weiterentwicklung (Ansprüche 1, 2 und
4) besteht die Spanneinrichtung aus einer Spannspindel, die durch Federkraft längs
ihrer Achse beaufschlagt wird, wodurch ein zu ihr koaxial liegendes, mit ihr verbundenes
Zahnritzel in eine Lage schiebbar ist, in der seine Verzahnung in die eines zweiten
Zahnrades eingreift, das koaxial zu der Gewindespindel und mit ihm verbunden angeordnet
ist. Eine in die Spannspindel eingeleitete Drehbewegung wird somit über ein Zahnradgetriebe
auf die Gewindespindel übertragen, deren Drehung zum Spannen des Werkzeuges ausgenutzt
wird. Die Arretierung übernimmt die Spannspindel, die an ihrem abgewandten Ende
einen Indexierzapfen aufweist, der teilweise konisch ausgebildet sein kann und in
eine entsprechende Indexierbohrung der Werkzeugspindel eingreift.
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Das Entkuppeln und Entriegeln des Spannbolzens erfolgt über einen
zweiarmigen Hebel durch Achsverschiebung, so daß das Zahnritzel nicht mehr mit dem
Zahnritzel der Gewindespindel in Eingriff steht und der Indexierzapfen die Indexbohrung
verlassen hat.
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Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform (Ansprüche 1 und 5)
übernimmt die Funktion des Entriegelns eine Zahnstange, die durch Längsverschiebung
in dem Werkzeughalter über ein Zahnritzel die Spannspindel entlang ihrer Längsachse
verschiebt, so daß sie mit der Gewindespindel außer Eingriff kommt. Auch nach dieser
Ausführungsform ist ein Indexierzapfen vorgesehen, der zweckmäßigerweise an dem
Ende der Spannspindel angeordnet ist, das der Gewindespindel zugewandt ist, und
der eine Arretierung der Werkzeugspindel bewirkt, sobald
Spannspindel
und Gewindespindel miteinander kraftschlüssig in Verbindung stehen. Auch nach dieser
Ausführungsform ist die Spannspindel an ihrem der Gewindespindel abgewandten Ende
mit einer Feder verbunden, deren Kraft die Einkuppelbewegung bewirkt.
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Sehr vorteilhaft ist es, die Werkzeugeinrichtung so zu gestalten,
daß der Drehantrieb und der Spannantrieb an ein und derselben Stelle der Werkzeugeinrichtung
eingeleitet werden können. Hierzu werden Spannspindel und Gewindespindel nicht nur
auf einer gemeinsamen Längsachse liegend angeordnet, sondern hierzu koaxial auch
die Antriebsspindel.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 einen Werkzeughalter im Querschnitt mit einer Zahnradgetriebeverbindung
zwischen Gewindespindel und Spannspindel, Fig. 2 den Querschnitt eines radialen
Werkzeughalters in abgewinkelter Ausführung mit seitlich versetztem Spann- und Drehantrieb
mit entkuppelter Spannspindel, Fig. 2 a einen Ausschnitt aus der Darstellung nach
Fig. 2 mit eingekuppelter Spannspindel, Fig. 3 den Querschnitt eines radialen Werkzeughalters
in abgewinkelter Ausführung mit konzentrischem Spann- und Drehantrieb und
Fig.
4a, b die Ausrüstung eines Scheibenrevolvers mit je einem Werkzeughalter für rotierende
Werkzeuge in radialer und axialer Auslegung sowie je einen separat am Revolver angeordneten
Spann- und Drehantrieb in Seitenansicht (a) und Draufsicht (b).
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Die in Fig. 1 dargestellte Werkzeugeinrichtung besteht aus einem Werkzeughaltergehäuse
1 mit einer Werkzeugspindel 8 und zentraler Spannreinrichtung.
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Diese besitzt einen Spannbolzen 2 der an dem stirnseitig auf die Werkzeugspindel
8 aufzusetzenden Werkzeugkopf zugewandten Ende kopfförmig ausgebildet ist. An ihm
liegen Spannstifte 32, deren gegenüberliegendes Ende in Ausnehmungen des nicht dargestellten
Werkzeugkopfes eingreifen. Der Spannbolzen 2 ist in einem Spannkolben 51 montiert
und wird über eine Gewindespindel 3 betätigt. Diese ist mit einem Zahnritzel 11'
verbunden, das koaxial zur Gewindespindel 3 angeordnet ist und dessen Verzahnung
mit der eines Zahnritzels 11 in Eingriff steht, das Teil einer Spannspindel 4 ist
und mit dieser verbunden ist. Die Werkzeugspindel 8 besitzt einen Flansch 52 mit
einer Indexierbohrung 7 mit konischer Einführung, in die ein ggf. an seinem freien
Ende mit einer konischen Abschrägung 33 auslaufenden Indexierzapfen 6 der Spannspindel
4 eingreifen kann. Die Spannspindel 4 ist mit einer Druckfeder 13 beaufschlagt,
die die Indexierung des Zapfens 6 mit der Indexierbohrung 7 bei übereinstimmender
Stellung selbsttätig bewirkt. Die Spannspindel 4 steht mit einem Arm eines zweiarmigen
Hebels 15 in loser Verbindung. Der andere, freie Arm
des zweiarmigen
Hebels steht mit einem Bolzen 5 in Kontakt, bei dessen Beaufschlagung ein Entriegeln
der Indexierung bewirkt wird.
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Die entlang ihrer Längsachse 36 im Werkzeughaltergehäuse 1 geführte
Spannspindel 4 kann im Prinzip mit einem Spannschlüssel oder ähnlichem gedreht werden;
in der dargestellten Ausführungsform ist eine Kupplung 35 für den Spannantrieb mit
entsprechenden Eingriffsnuten vorgesehen. In Höhe der gemeinsamen Längsachse 37
der Werkzeugspindel 8, des Bolzens 2 und der Gewindespindel 3 ist zum Werkzeugantrieb
ferner eine Drehantriebskupplung 34 vorgesehen.
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Der dargestellte axiale Werkzeughalter besitzt demnach zwei parallel
versetzte Kupplungen für den Dreh- und den Spannantrieb. Das ein- bzw.
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auskupppeln des Zahnradgetriebes 11, 11' ist folgendermaßen möglich.
Der über die Drehachse 38 schwenkbar gelagerte Hebel 15 befindet sich nach Fig.
1 in der Stellung, in der der Spannantrieb über das Ritzelpaar 11, 11' mit der Werkzeugspindel
8 eingekuppelt ist. Uber die Spannspindel 4 könnte das stirnseitig an der Werkzeugspindel
8 aufgesetzte Werkzeug gespannt werden. Zum Entkuppeln nach Spannen des Werkzeugs
wird der Bolzen 5 entlang seiner Längsachse eingedrückt, wodurch Hebel 15 den Weg
in Pfeilrichtung a zurücklegt. Hierdurch verschiebt sich (gegen die Kraftrichtung
der Feder 13) die Spannspindel 4, so daß damit auch di.e Zahnritzel 11, 11' in eine
zueinander versetzte Stellung kommen: Die Verbindung der Zahnräder 11, 11' und der
Indexierung 6, 7 sind gelöst. Dieser Vorgang erfolgt automatisch beim
Einkuppeln
des Drehantriebes.
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Mit der dargestellten Anordnung erfolgt demnach in einfacher Art und
Weise der Spannantrieb mittels einer Spannspindel 4 mit Zahnritzel 11, durch die
im gekuppelten Zustand über ein weiteres Ritzel 11' und einer Gewindespindel 3 das
Spannen und Lösen bewerkstelligt werden kann. Es versteht sich von selbst, daß die
federbetätigte Spannspindel zur Arretierung der Werkzeugspindel entsprechend einrastet
und die Werkzeugspindel verriegelt. Diese Verriegelung bleibt bei der Betätigung
des Spannantriebes erhalten, so daß ein Durchdrehen der Werkzeugspindel während
des Spann- bzw. Lösevorgangs nicht erfolgen kann und die Mitnehmer 53 des Werkzeugspindelkopfes
die vorgeschriebene Lage einhalten.
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Beim dem abgewinkelten Werkzeughalter nach Fig. 2 sind Spannantrieb
und Verriegelungseinrichtung ebenfalls kombiniert. Die Kupplung 34 für den Drehantrieb
ist achsparallel versetzt zur Kupplung 35 für den Spannantrieb angeordnet. Im Arbeitszustand
wird die über die Kupplung 34 eingebrachte Drehbewegung über ein hier nur schematisch
angedeutetes Umlenkgetriebe 30 auf die Werkzeugspindel übertragen. Damit liegt die
Längsachse 18 des Spannbolzens 2 senkrecht zu der gemeinsamen Längsachse 25 der
Spannspindel 4 und der Gewindespindel 3.
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Zum Entkuppeln des Spannantriebes von der Gewindespindel 3 wird derBolzen
5 betätigt, der eine oder mehrere parallel zur Achse 25 liegende Zahnstangen 10
in Längsrichtung bewegt. Die Zähne der Zahnstange 10 stehen mit einem Ritzel 12
in Verbindung, das wiederum in eine entsprechende Verzahnung der Spannspindel 4
eingreift und diese mit der Gewindespindel 3 außer
Eingriff bringen
kann. Befinden sich die Spannspindel 4 und die Gewindespindel 3 in eingekuppeltem
Zustand, wie in Fig. 2a dargestellt, kann durch zwei gegenläufig bewegliche Spannelemente
16, 16' über die in diesen montierte Gewindespindel die axiale Spannbewegung in
der Werkzeugspindel 8 eingeleitet werden. Die längs der Achse 25 bewegliche und
innerhalb der Bohrung 14 auch drehbar angeordnete Spannspindel hat an der der Gewindespindel
3 zugewandten Seite einen Zentrierzapfen 40 und einen Mitnehmer, die in entsprechend
gegenläufige Ausbildungen der Gewindespindel 3 eingreifen können. Der Zentrierzapfen
40 ragt gegenüber dem Mitnehmer der Spannspindel 4 axial vor und erlaubt beim Einkuppeln
eine Vorindexierung der Werkzeugspindel durch Eingriff in die Ausnehmung der Gewindespindel
bei entsprechender Werkzeugspindelstellung. Der in der Wechselposition mit dem Werkzeug
angeordnete, hier nicht dargestellte Spannantrieb greift nach dem Einkuppeln durch
Kupplung 35 in einen dafür vorgesehenen konzentrisch innenliegenden Mitnehmer 9
ein, durch den die Spanneinrichtung die entsprechende Rotationsbewegung auf die
Spannspindel 4 übertragen kann. Durch diese Rotation werden bei miteinander verbundener
Spann-und Gewindespindel die beiden Keile 16 und 16' aufgrund des entsprechend vorgesehenen
gegensinnigen Doppel-Gewindes der Gewindespindel 3 auseinander oder zueinander bewegt,
so daß sich über deren Druckflächen 19, 19' auf die ihnen gegenüberliegenden Keilflächen
20, 20' des Spannkolbens 21 entsprechend wirkende Kräfte übetragen können. Der Spannkolben
21 ist mit dem Spannbolzen 2 verbunden, so daß sich dessen Bewegung längs der Längsmittelachse
18 auf den Spannbolzen 2 überträgt. Bewegen sich die Spannelemente 16, 16' auseinander,
so bewegt sich der
Kolben 21, durch die Wirkung der Feder 39 unterstützt,
in Richtung auf den Kopf der Werkzeugspindel 8 und löst die Werkzeugspannung. Zweckmäßigerweise
enthält die Gewindespindel 3 ein inmitten der jeweils ein Gewinde mit gegensinniger
Steigung tragenden Stücke 49, 50 liegendes zylindrisches Teilstück 22, das in entsprechenden
Paßbohrungen 23, 24 in den Keilen 16, 16' drehbar geführt ist.
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Für den Fall des Eingriffs des Drehantriebes über Kupplung 34 erfolgt
vorab automatisch eine Entriegelung der Werkzeugspindel 8 im Bereich des Spannantriebes
über Bolzen 5, Zahnstange 10, Ritzel 12 und Spannspindel 4, wie in Fig. 2 dargestellt.
Entsprechendes kann man auch mit wirkungsgleichen Einrichtungen erzielen, die in
der Maschine installiert sind.
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Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich im wesentlichen
von der vorbeschriebenen durch die gemeinsame Drehachse 27 für den Drehantrieb 28
als auch den Spannantrieb 41, die beide nur schematisch dargestellt sind und je
nach Position des Werkzeughalters über die Kupplung 34 bzw. die Kupplung 35 arbeiten.
Die Entriegelung von Spannspindel 4 und Gewindespindel 3 erfolgt jedoch nicht, wie
bei der vorbeschriebenen Ausbildung, über einen Bolzen 5, sondern automatisch beim
Einkuppeln des Drehantriebes 28, der mit seinen Mitnehmern die Zahnstange 10 beim
Einkuppeln in Richtung der Werkzeugspindel 8 verschiebt, wodurch über Ritzel 12
die Spannspindel 4 von der Gewindespindel 3 getrennt wird. Dieser Entkuppelvorgang
spielt sich ebenso wie bei der in Fig. 2 und 2a beschriebenen Vorrichtung ab. Das
Kuppeln zwischen Spannspindel 4 und Gewinde-
spindel 3 wird wie
zuvor beschrieben durch die Feder 13 eingeleitet. Ebenso erfolgt das Spannen der
Werkzeuge über die gleichen Vorrichtungsteile wie in Fig. 2 dargestellt.
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Der Unterschied der beiden Ausführungsformen zeigt sich beim Einkuppeln
des Drehantriebs 28. Wird der Drehantrieb 28 durch Längsbewegung eingekuppelt, so
ist dies gleichbedeutend mit einem Verschieben der Zahnstange 10 in Richtung auf
die Werkzeugspindel.
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In dem Maße, wie die Zugstange 10 entsprechend fortbewegt wird, dreht
sich Ritzel 12 und wird die Spannspindel 4 in die von der Werkzeugspindel 8 abseitige
Richtung bewegt. Nach Vollendung des Kupplungsvorganges und damit erfolgter Entriegelung
wird der Drehantrieb auf Rotation geschaltet, wodurch über das Umlenkgetriebe 26,
das hier nur schematisch dargestellt ist, das Werkzeug mit einer Drehachse, die
senkrecht zu der Drehachse des Drehantriebes steht, angetrieben wird. Nach Beendigung
der Arbeitsoperation wird durch steuerungstechnische Maßnahmen der Drehantrieb mit
definierter Spindelstillsetzung abgeschaltet, so daß die Gewindespindel 3 und die
Spannspindel 4 in einer Achse 27 liegen und die Kupplungsstellen sich gegenüberstehen.
Beim Auskuppeln des Drehantriebs erfolgt über die Feder 13 automatisch ein Verriegeln
beider Spindeln 3, 4.
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Fig. 4a, b zeigen eine zweckmäßige Anwendungsmöglichkeit für die vorliegende
Erfindung. Ein radialer Werkzeughalter 43 mit antreibbarer Spindel 8 ist auf einer
indexierbaren Revolverscheibe 42 montiert.
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Der radiale Werkzeughalter 43 ist in Arbeitsstellung zur Bearbeitung
eines angedeuteten Flanschwerkstückes 44 angeordnet. Jenseits der Revolverscheibe
42 ist der
mit dem Werkzeughalter 43 kuppelbare Drehantrieb 28,
diesseits der Werkzeughalter 43 selbst angeordnet.
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Der Drehantrieb 28 treibt die Werkzeug spindel 8 an und kann diese
definiert stillsetzen. Dem radialen Halter in der geschilderten Anordnung ist diametral
gegenüber ein axial ausgelegter Werkzeughalter 46 mit Werkzeug 47 dargestellt. Diese
Revolverposition soll in diesem Falle gleichzeitig die Werkzeugwechselposition sein.
Für die Spann- und Lösefunktion der Werkzeuge 47 dient ein an der Rückseite des
Scheibenrevolvers 42 angeordneter Spannantrieb 41, der mit der Spanneinrichtung
des Werkzeughalters 46 kuppelbar ist. Diese Auslegung und Anordnung der Werkzeughalter
43, 46 auf der Revolverscheibe ist so gewählt, daß für mehrere Werkzeughalter lediglich
ein Drehantrieb und ein Spannantrieb erforderlich sind, was insbesondere aus Fig.
4b hervorgeht.
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